JP2007016612A - 内燃機関の排気圧制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料カット時において排気絞り手段による排気圧の上昇を抑制し、排気流量の制限をより広い領域で実行することができ、排気浄化装置の温度を良好に維持することができる内燃機関の排気圧制御装置を提供すること。
【解決手段】 エンジン(1)の燃料カット時には、排気絞り弁(28)を全閉とし、排気圧が所定排気圧以上となると、まずＥＧＲバルブ(64)の開度を増加させ、ＥＧＲバルブ全開時には、吸気絞り弁(58)の開度を減少させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の排気圧制御装置に関する。

車両の減速時等では、内燃機関（以下エンジンともいう）への燃料噴射を停止させた所謂燃料カット状態となる。このような燃料カット時は、燃焼は生起されないがエンジンは回転しているために吸入される新気がそのまま排気通路へと流入することとなり、排気通路に設けられている排気浄化装置等で熱の持ち去りが生じて排気浄化装置の温度が低下し、排気浄化性能が低下してしまうという問題がある。

このような熱の持ち去りを軽減させる方法としては、排気通路に排気絞り弁を設け、排気流量を制限させる方法がある。
しかし、このように排気流量を制限させると排気圧が上昇する。特にエンジンの回転数が高回転数である場合等は排気圧が過度に上昇し、排気通路に設けられているターボチャージャ等の装置の許容圧力を超えてしまうおそれがある。

排気圧の上昇を抑えるには、排気流量の制限を抑制しなければならないが、排気絞り弁は、高温の排気通路に設けられること等から、精密な開度制御を行うのは困難であり、通常は単純なＯＮ／ＯＦＦ制御によるものが用いられるため、排気圧が過度に上昇した場合は排気絞り弁を全閉から全開に切り替えて排気流量の制限を解除しなければならない。
このように所定排気圧以上となる度に排気流量の制限を解除すると、排気絞り弁による排気流量の抑制を行うことができる領域は狭く限られてしまう。

そこで、排気絞り弁を閉弁させ排気流量の制限を行っているときに、排気圧が所定以上となったときにはＥＧＲ弁の開度を増大させることにより排気圧の上昇を抑制させる技術が開発されている（特許文献１参照）。
特開平１１−８２０７０号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された技術では、実施例でエンジン回転数が２０００ｒｐｍより大である場合は排気絞り弁を開弁させているように、ＥＧＲ弁の開度を増大させるだけではエンジンの高回転域での排気圧の上昇を抑制しきれず限界があるという問題がある。
エンジンの回転数が高回転数であるほど排気流量は増加し、排気浄化装置の熱の持ち去り作用が強くなるので、より高回転時にも排気流量を制限できることが要求される。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、燃料カット時において排気絞り手段による排気圧の上昇を抑制し、排気流量の制限をより広い運転領域で実行することができ、排気浄化装置の温度を良好に維持することができる内燃機関の排気圧制御装置を提供することにある。

上記した目的を達成するために、請求項１の内燃機関の排気圧制御装置では、内燃機関の排気通路に設けられ、排気を浄化する排気浄化手段と、前記内燃機関の排気通路に設けられ、排気流量を制限する排気絞り手段と、前記内燃機関の吸気通路に設けられ、吸入空気量を調節する吸気絞り手段と、前記内燃機関の燃焼室内に還流される排気の量を調節する排気還流調節手段と、前記内燃機関の排気通路の前記排気絞り手段よりも排気上流側に設けられ、排気圧を検出する排気圧検出手段と、前記内燃機関が燃料カット状態にあるときに、前記排気絞り手段により排気流量を制限させるとともに、前記排気圧検出手段により検出される所定排気圧未満となるように前記吸気絞り手段及び前記排気還流調節手段を制御する制御手段とを備えたことを特徴としている。

つまり、内燃機関の燃料カット時には、排気絞り手段により排気流量を制限するとともに、排気圧が所定排気圧未満となるように、吸気絞り手段及び排気還流調節手段を制御する。
請求項２の内燃機関の排気圧制御装置では、前記制御手段は、前記内燃機関が燃料カット状態にあるときに、前記排気絞り手段により排気流量を制限させるとともに、前記排気圧検出手段により検出される排気圧が所定排気圧以上となると、前記排気圧が所定排気圧未満となるように、まずは前記排気還流調節手段により排気還流量が増加するように制御し、前記排気還流調節手段による排気還流量の増加が限界となると、前記吸気絞り手段により吸入空気量を減少させるように制御する制御手段とを備えることを特徴としている。

つまり、内燃機関の燃料カット時には、排気絞り手段により排気流量を制限するとともに、排気流量を制限したことで排気圧が所定排気圧以上に上昇した場合は、まずは吸気絞り手段はそのままで排気還流調節手段により排気還流量を増加させることによって、排気還流調節手段による排気還流量の増加が限界である場合は、吸気絞り手段により吸入空気量を減少させることによって、排気圧を所定排気圧未満に抑制する。

請求項３の内燃機関の排気圧制御装置では、前記内燃機関はディーゼルエンジンであり、前記排気浄化手段は排気中のパティキュレートマターを捕捉するパティキュレートフィルタと、該パティキュレートフィルタの排気上流側に配設される酸化触媒により構成されることを特徴としている。
請求項４の内燃機関の排気圧制御装置では、さらに、前記内燃機関は、排気通路に配設されたタービンを排気により回転させることで吸気通路に配設されたコンプレッサを回転させて吸気の過給を行うターボチャージャを備え、前記排気絞り手段は、前記タービンより排気下流側に設けられ、前記所定排気圧は前記ターボチャージャの許容圧力に設定されていることを特徴としている。

請求項５の内燃機関の排気圧制御装置では、前記排気絞り手段は、全閉と全開のみ可能なＯＮ／ＯＦＦ制御によるものであることを特徴としている。

上記手段を用いる本発明の請求項１の内燃機関の排気圧制御装置によれば、内燃機関の燃料カット時に排気絞り手段により排気流量を制限し、排気流量を制限しても吸気絞り手段及び排気還流調節手段により排気圧は所定排気圧未満となるよう抑制されることで、より広い運転領域で排気流量の制限を実施することができる。
これにより広い運転領域において排気浄化手段の温度を良好に保つことができ、排気浄化性能の低下を防止することができる。

請求項２の内燃機関の排気圧制御装置によれば、内燃機関の燃料カット時に排気絞り手段により排気流量を制限し、排気流量を制限したことで排気圧が所定排気圧以上に上昇した場合は、まずは排気還流調節手段により排気還流量の増加させることで、ポンピングロスを生じさせることなく排気圧の抑制を行うことができる。
また、排気還流調節手段による排気還流量の増加が限界となった場合は、吸気絞り手段により吸入空気量を減少させて排気圧の上昇を抑制させることで、より広い運転領域で排気流量の制限を実施することができる上、吸入空気量を減少させるときには排気還流量が最大であることから、吸入空気量を減少させることで生じるポンピングロスが抑制される。

したがって、運転状態の変化を防止しつつ、広い運転領域において排気浄化手段の温度を良好に保つことができ、排気浄化性能の低下を防止することができる。
請求項３の内燃機関の排気圧制御装置によれば、請求項１または２において、比較的排気温度の低いディーゼルエンジンにおいても、排気流量の抑制を広い運転領域で行うことができ、広い運転領域で排気浄化装置の温度を保持できることで排気浄化性能を維持することができる。

請求項４の内燃機関の排気圧制御装置によれば、請求項１乃至３において、ターボチャージャの破損を確実に防止することができる。
請求項５の内燃機関の排気圧制御装置によれば、請求項１乃至４において、単純な構成の排気絞り手段であっても排気流量の制限をより広い領域で実行することができ、排気浄化装置の温度を良好に維持することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１を参照すると、本発明に係る内燃機関の排気圧制御装置の概略構成図が示されている。
図１に示すように、エンジン１はコモンレール式ディーゼルエンジンであり、詳しくは、コモンレールシステム２によりコモンレール２ａに蓄圧された高圧燃料を各気筒の燃料噴射弁４に供給し、任意の噴射時期及び噴射量で当該燃料噴射弁４から各気筒の燃焼室６内に噴射可能な構成を成している。

各気筒には上下摺動可能なピストン８が設けられており、当該ピストン８はコンロッド１０を介してクランクシャフト１２に連結されている。また、クランクシャフト１２の一端部にはフライホイール１４が設けられており、当該フライホイール１４にはクランクシャフト１２の回転速度を検出するクランク角センサ１６が設けられている。
また、燃焼室６には吸気通路２０と排気通路３０とが連通している。

吸気通路２０には、燃焼室６と吸気通路２０の連通と遮断を行う吸気弁２２が設けられており、排気通路３０には、燃焼室６と排気通路３０との連通と遮断を行う排気弁３２が設けられている。
また、吸気通路２０の吸気上流端にはエアクリーナ２４が設けられており、その吸気下流側には排気流を利用して吸気を過給するターボチャージャ４０が設けられている。当該ターボチャージャ４０は、詳しくは、排気により回転するタービン及び当該タービンと同期回転するコンプレッサとから構成されており、吸気通路２０はコンプレッサを収納するコンプレッサハウジングと連結している。

そして、当該ターボチャージャ４０の吸気下流側の吸気通路２０には、過給された吸気を冷却するインタークーラ２６が設けられている。また、インタークーラ２６の吸気下流側には、電磁式のバタフライバルブからなり吸入空気量を調節する吸気絞り弁２８（吸気絞り手段）が設けられている。
一方、排気通路３０には上記ターボチャージャ４０におけるタービンを収納するタービンハウジングと連結しており、当該ターボチャージャ４０より排気下流側には排気浄化装置５０（排気浄化手段）が設けられている。

当該排気浄化装置５０は、排気上流側に排気中の一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ_２）に酸化する酸化触媒５２が配設されており、排気下流側に排気中のパティキュレート（以下ＰＭという）を捕捉するディーゼルパティキュレートフィルタ（以下ＤＰＦという）５４が配設されている。即ち、酸化触媒５２とＤＰＦ５４とから連続再生式ＤＰＦが構成されている。また、酸化触媒５２の出口部分には、当該酸化触媒５２の出口温度、即ちＤＰＦ５４の入口温度を検出する温度センサ５６が設けられている。

さらに、排気浄化装置５０よりも排気下流側には、排気流量を抑制する排気絞り弁５８（排気絞り手段）が設けられている。当該排気絞り弁５８はバタフライバルブからなり、排気通路３０の全開と全閉のみ可能なＯＮ／ＯＦＦ制御による単純な構成であり排気通路の流路面積を変化させて排気流量を調節する。
また、吸気通路２０の吸気絞り弁２８よりも吸気下流側部分と、排気通路３０のターボチャージャ４０より排気上流側部分とを連通するようにＥＧＲ通路６０が設けられており、当該ＥＧＲ通路６０により排気の一部がＥＧＲガスとして吸気通路２０を経て燃焼室６内へと還流される。

また、ＥＧＲ通路６０には、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ６２と、吸気通路２０とＥＧＲ通路６０との接続部分にＥＧＲガスの還流量を調節する電磁式のＥＧＲバルブ６４（排気還流調節手段）が設けられている。
さらに、排気通路３０とＥＧＲ通路６０との接続部分よりも排気上流側には排気圧力を検出する排気圧センサ６６（排気圧検出手段）が設けられている。

そして、上記燃料噴射弁４、クランク角センサ１６、吸気絞り弁２８、温度センサ５６、排気絞り弁５８、ＥＧＲバルブ６４、及び排気圧センサ６６等の各種装置や各種センサ類はＥＣＵ（電子コントロールユニット）７０（制御手段）と電気的に接続されており、当該ＥＣＵ７０は各種センサ類からの各情報に基づき各種装置を作動制御する。
以下このように構成された本発明に係る内燃機関の排気圧制御装置の作用について説明する。

図２を参照すると、本発明に係る内燃機関の排気圧制御装置のＥＣＵ７０が実行する燃料カット時の排気圧制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下同フローチャートに基づき説明する。
まず、ステップＳ１では、燃料カット中か否かを判別する。即ち、エンジン１において燃料噴射が停止されているか否かを判別し、判別結果が偽（Ｎｏ）である場合は当該ルーチンを抜け、一方判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合はステップＳ２に進む。

ステップＳ２では、排気圧センサ６６より検出される排気圧が予め設定されている所定排気圧以上であるか否かを判別する。なお、当該所定排気圧は、例えばターボチャージャ４０の許容圧力に設定されている。
当該判別結果が偽（Ｎｏ）である場合、即ち排気圧が所定排気圧未満である場合はステップＳ３に進む。

ステップＳ３では、ＥＧＲバルブ６４を全閉とし、続くステップＳ４において吸気絞り弁２８を全開とし、ステップＳ５において排気絞り弁５８を全閉とし当該ルーチンを抜ける。
このように、排気圧が所定排気圧未満である場合には、ＥＧＲバルブ６４を全閉、吸気絞り弁２８を全開とした上で、排気絞り弁５８を全閉し排気流量を制限することで排気浄化装置５０の温度を高温に保持する。

一方、上記ステップＳ２の判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合、即ち排気圧が所定排気圧以上となった場合には、ステップＳ６に進む。
ステップＳ６では、ＥＧＲバルブ６４の開度が全開であるか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）である場合はステップＳ７に進み、ＥＧＲバルブ６４の開度を増加させる制御（ＥＧＲバルブ開制御）を行うことで、排気の一部を吸気通路２０に還流させ排気圧の上昇を抑制する。そして、ステップＳ４に進み、吸気絞り弁２８を全開にし、続いてステップＳ５に進み、排気絞り弁５８を全閉として当該ルーチンを抜ける。

また、ステップＳ６の判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合、即ちＥＧＲバルブ６４の開度が全開である場合は、ステップＳ８に進む。
ステップＳ８では、吸気絞り弁２８の開度が全閉であるか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）である場合はステップＳ９に進み、吸気絞り弁２８の開度を減少させる制御（吸気絞り弁閉制御）を行うことで、吸入空気量を制限することで排気圧の上昇を抑制する。そして、ステップＳ５に進み、排気絞り弁５８を全閉として当該ルーチンを抜ける。

また、ステップＳ８の判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合、即ちＥＧＲバルブ６４の開度が全開であり、吸気絞り弁２８の開度が全閉である場合は、ステップＳ１０に進む。
ステップＳ１０では、排気絞り弁５８を全開とすることで排気圧の上昇を抑制して当該ルーチンを抜ける。
ここで、図３を参照すると、本発明に係る排気圧制御行った場合の排気温度や排気圧等とエンジン回転数との関係が示されている。

同図に示すように、排気絞り弁５８を全閉としても排気圧が所定排気圧未満であるような低回転数領域においては、ＥＧＲバルブ６４は全閉に、吸気絞り弁２８は全開にされる。
そして、低回転数域から排気圧が所定排気圧以上となり始める中回転数域では、吸気絞り弁２８は全開のまま、まずはＥＧＲバルブ６４の開度が増加されていくことでポンピングロスを生じさせることなく排気圧の上昇は抑制される。

さらにＥＧＲバルブ６４を全開としても排気圧が所定排気圧以上となるような高回転数領域では吸気絞り弁５８の開度が減少され、吸入空気量が減少していくことで排気圧の上昇は抑制される。当該吸気絞り弁５８の開度が減少されるときにはＥＧＲバルブ６４が全開であることから、吸入空気量を減少することで生じるポンピングロスは軽減される。
このようにして、排気圧は所定排気圧以上となることはないためターボチャージャ４０等の装置の破損は防止される。

ここで、図３に鎖線で示されている排気温度は、従来のように排気圧が所定排気圧以上となった場合に排気絞り弁を全開させた場合の排気温度の変化を表している。当該鎖線で示されているように排気絞り弁を全開とすると大幅に排気温度は低下し、さらに回転数が高くなるほど排気流量は増加することから、高回転になるほど排気温度の低下は大きくなっていく。

これに対して本発明に係る排気圧制御を行うことで高回転数領域まで排気絞り弁５８を全閉することが可能となり、高回転数領域においても排気温度を高く保持することができる。
以上のことから、本実施形態に係る内燃機関の排気圧制御装置では、単純な構成の排気絞り弁６８であっても、運転状態の変化を防止しつつ、広い運転領域において排気浄化手段の温度を良好に保つことができ、排気浄化性能の低下を防止することができる。

以上で本発明に係る内燃機関の排気圧制御装置の実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。
例えば、上記実施形態ではエンジン１はディーゼルエンジンであるが、ガソリンエンジンであっても構わない。また、排気浄化装置は酸化触媒５２とＤＰＦ５４から構成されているが、例えばＮＯｘ触媒や三元触媒等の他の排気浄化手段であっても構わない。

また、上記実施形態では、排気還流調節手段として吸気通路２０と排気通路３０とを連通するＥＧＲ通路６０にＥＧＲバルブ６４を設けているが、排気還流調節手段はこれに限られるものではなく、例えば、可変動弁機構を用いて吸気弁の開弁時期や排気弁の閉弁時期を制御することにより吸排気のオーバーラップ期間を変化させることで所謂内部ＥＧＲ量を制御する手法を用いたものであっても構わない。

また、上記実施形態では排気圧検出手段として排気圧センサ６６を用いたが、排気圧検出手段は排気圧を直接計測するものに限らず、間接的に計測したり、機関の運転状態に基づいて推定するものであってもよい。
また、上記実施形態では、排気絞り手段として排気絞り弁５８をＤＰＦ５４の下流に配置しているが、排気絞り手段は触媒の上流に配置してもよい。

本発明に係る内燃機関の排気圧制御装置の概略構成図である。 本発明に係る内燃機関の排気圧制御装置のＥＣＵが実行する排気浄化装置の保温制御ルーチンがフローチャートである。 本発明に係る排気圧制御行った場合の排気温度や排気圧等とエンジン回転数との関係を示した図である。

符号の説明

１ エンジン
４ 燃料噴射弁
６ 燃焼室
２０ 吸気通路
２８ 吸気絞り弁（吸気絞り手段）
３０ 排気通路
５０ 排気浄化装置（排気浄化手段）
５２ 酸化触媒
５４ ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
５６ 温度センサ
５８ 排気絞り弁（排気絞り手段）
６０ ＥＧＲ通路
６４ ＥＧＲバルブ（排気還流調節手段）
６６ 排気圧センサ（排気圧検出手段）
７０ ＥＣＵ（制御手段）

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、排気を浄化する排気浄化手段と、
   前記内燃機関の排気通路に設けられ、排気流量を制限する排気絞り手段と、
   前記内燃機関の吸気通路に設けられ、吸入空気量を調節する吸気絞り手段と、
   前記内燃機関の燃焼室内に還流される排気の量を調節する排気還流調節手段と、
   前記内燃機関の排気通路の前記排気絞り手段よりも排気上流側に設けられ、排気圧を検出する排気圧検出手段と、
   前記内燃機関が燃料カット状態にあるときに、前記排気絞り手段により排気流量を制限させるとともに、前記排気圧検出手段により検出される排気圧が所定排気圧未満となるように前記吸気絞り手段及び前記排気還流調節手段を制御する制御手段と
   を備えたことを特徴とする内燃機関の排気圧制御装置。
2. 前記制御手段は、前記内燃機関が燃料カット状態にあるときに、前記排気絞り手段により排気流量を制限させるとともに、前記排気圧検出手段により検出される排気圧が所定排気圧以上となると、前記排気圧が所定排気圧未満となるように、まずは前記排気還流調節手段により排気還流量が増加するように制御し、前記排気還流調節手段による排気還流量の増加が限界となると、前記吸気絞り手段により吸入空気量を減少させるように制御する制御手段と
   を備えることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気圧制御装置。
3. 前記内燃機関はディーゼルエンジンであり、
   前記排気浄化手段は排気中のパティキュレートマターを捕捉するパティキュレートフィルタと、
   該パティキュレートフィルタの排気上流側に配設される酸化触媒により構成されることを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の排気圧制御装置。
4. さらに、前記内燃機関は、排気通路に配設されたタービンを排気により回転させることで吸気通路に配設されたコンプレッサを回転させて吸気の過給を行うターボチャージャを備え、
   前記排気絞り手段は、前記タービンより排気下流側に設けられ、
   前記所定排気圧は前記ターボチャージャの許容圧力に設定されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の内燃機関の排気圧制御装置。
5. 前記排気絞り手段は、全閉と全開のみ可能なＯＮ／ＯＦＦ制御によるものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の内燃機関の排気圧制御装置。

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